Der Bahnhof Weilburg ging als der Endstation der Teilstrecke von Limburg (Lahn) nach Weilburg am 14. Oktober 1862 in Betrieb. Auf der gesamten Lahntalbahn begann der Eisenbahnbetrieb am 10. Januar 1863. Der klassizistische Putzbau wurde von Architekten Heinrich Velde entworfen. Das Empfangsgebäude ähnelt dem von Diez, Bad Ems und Rüdesheim. Auch hier wurden zwei zweistöckige Giebelbauten mit einem Trakt verbunden. Die Fenster und Türen wurden in Rahmen aus Sandstein gefasst. Ebenfalls aus Sandstein sind die Sockel, das Gesimsfrieses und die Linsen mit weiblichen Büsten des Mitteltrakts. 1862 entstand auch der Güterschuppen. In Richtung Limburg führt die Lahntalbahn über eine Stahlbrücke über den Fluss direkt in den 302 Meter langen Weilburger Tunnel. Unmittelbar unter dem Eisenbahntunnel befindet sich der einzige Schiffstunnel in Deutschland. Dieser wurde von 1844 bis 1847 gebaut. Eine Doppelkammerschleuse gleicht den Höhenunterschied von 4,65 Meter aus. Am 1. November 1891 zweigte von Weilburg die 22 km lange Weiltalbahn nach Weilmünster ab. Über diese Bahn konnten die reichhaltigen Rohstoffe zur Lahntalbahn gebracht werden. Im Bahnhof entstand eine Erzverladung. Im November 1892 baute man zur Versorgung der Dampflokomotiven eine Lokstation mit Drehscheibe. Der Personenverkehr wurde 1955, der Güterverkehr 1968 auf der Weiltalbahn eingestellt. 1914 wurden die mechanischen Stellwerke in Betrieb genommen. 1915 wurde die Unterführung und der Güterbahnhof fertiggestellt. Der Hausbahnsteig verfügt über eine hölzerne Überdachung. Die Bahnhofsgebäude stehen unter Denkmalschutz.